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COMPONENTI E CIRCUITI

Componenti e circuiti

Il comportamento elettrico di un componente può essere descritto, nei casi più semplici, attraverso un grafico che esprime la sua curva caratteristica. Questa mettere in relazione l’eccitazione con la risposta; l’eccitazione rappresenta il segnale applicato al componente, la risposta quello che si considera come effetto. Un componente che ha una caratteristica rettilinea è un componente lineare; la linearità va quindi riferita a una particolare coppia eccitazione-risposta in quanto, in relazione alla scelta, un componente può essere o non essere lineare.

È possibile classificare i componenti anche in relazione al numero dei terminali; si parla allora di bipoli, tripoli, quadripoli e, in generale, di multipoli. Un componente si dice integrato se è l’equivalente di molte funzioni elettriche elementari; in pratica un componente integrato è normalmente multipolare e da solo è equivalente a un circuito elettrico complesso. Al contrario un componente discreto è realizzato per svolgere solo una funzione elettrica elementare. I componenti, infine, si dicono attivi se contengono dei generatori o sono interpretabili, nel loro funzionamento, come se li contenessero; in caso contrario sono detti passivi.

Si definisce circuito elettrico o rete elettrica un insieme di componenti tra loro variamente collegati.

Si definisce nodo un punto di collegamento tra più componenti.

Si definisce ramo un tratto di circuito compreso tra due nodi.

Si definisce maglia un percorso chiuso che, partendo da un nodo, torna allo stesso.

Più componenti inseriti sullo stesso ramo si dicono in serie.

Più componenti collegati tra gli stessi nodi si dicono in parallelo.

In altri termini si può dire che più componenti sono in serie se sono tutti attraversati dalla stessa corrente; si dicono invece in parallelo se hanno ai loro capi tutta la stessa tensione.

La resistenza, il resistore e la legge di Ohm

Il resistore è un componente bipolare, lineare e passivo. La grandezza che lo contraddistingue è la resistenza, che si misura in ohm (Ω).

Matematicamente la caratteristica di un resistore è esprimibile con la relazione: .

Questa esprime, nella sua formulazione più elementare, la legge di Ohm. Il termine v(t) rappresenta la tensione, o differenza di potenziale (d.d.p.), che in un certo istante t si presenta ai capi dell’elemento resistivo e i(t) la corrente che lo attraversa nello stesso istante. Al variare di i anche la tensione v cambia in modo direttamente proporzionale; il coefficiente di proporzionalità è la resistenza R.

Se ai capi di un resistore è presente una tensione, questo è sicuramente attraversato da una corrente e, viceversa, se un resistore è attraversato da una corrente, ai suoi capi è sicuramente presente una tensione, salvo che ei casi limite di resistenza nulla e resistenza infinita. La corrente convenzionalmente va dal punto a potenziale più alto a quello più basso, il suo verso risulta opposto a quello della tensione.

Il valore istantaneo della potenza elettrica dissipata da una resistenza vale: .

Nel caso particolare di grandezze continue si ottiene: .

Applicando la legge di Ohm, la relazione può anche essere scritta così: .

Il generatore elettrico

Si può considerare generatore elettrico un componente bipolare attivo capace di produrre ai suoi estremi una certa differenza di potenziale. Se il circuito è aperto, non passa corrente. Se il circuito è chiuso, passa una corrente .

Circuiti serie

Si considera massa di un circuito quella parte dello stesso che è ritenuta, convenzionalmente, a potenziale zero. Le resistenza in serie sono equivalenti a un’unica resistenza pari alla loro somma:

R_S rappresenta la resistenza equivalente delle n resistenze in serie.

La tensione applicate a un gruppo di resistenze in serie è pari alla somma delle tensioni ai capi delle singole resistenze. Poiché la corrente va dal punto a potenziale più alto a quello più basso, le tensioni sulle singole resistenze sono dette cadute di tensione.

Spesso si dice che le resistenze in serie costituiscono un partitore di tensione: questo nome deriva dalla constatazione che la tensione totale disponibile ai capi di più resistenze in serie si ripartisce, sulle singole, in modo direttamente proporzionale alle stesse. Oppure, in modo del tutto equivalente, si può affermare che in un partitore di tensione il rapporto tra le tensioni è uguale a quello tra le resistenze. Se si dispone di un segnale di ampiezza eccessiva, questo può essere attenuato di una quantità nota usando un partitore di tensione.

Detto v_i il segnale in ingresso (input) e v₀ quello in uscita (output) risulta: .

Il potenziometro e il trimmer

In elettronica spesso si ha la necessità di ricorrere a partitori di tensione regolabili; ciò si ottiene con appositi componenti noti con il nome di potenziometri. Questi possono essere regolati tramite manopola rotativa o con un cursore a movimento rettilineo; per regolazioni da effettuare solo in sede di taratura sono disponibili anche potenziometri semifissi, regolabili tramite giravite. Se si usano solo due stremi, dei quali uno sia il cursore mobile, lo stesso componente si usa come resistore variabile ed è chiamato reostato.

Circuiti parallelo

Due o più resistenze in parallelo sono soggette tutte alla stessa tensione. Detto n il numero di resistenze in parallelo, la resistenza equivalente R_P è ricavabile dalla seguente relazione: .

Si tenga presente che, per il principio di conservazione delle cariche elettriche, la corrente totale entrante in un gruppo di resistenze in parallelo non può che essere pari alla somma elle correnti che le attraversano. Inoltre, essendo in parallelo, le resistenze hanno tutte la stessa tensione. Nel caso particolare di due sole resistenze la relazione può anche essere scritta nel seguente modo: .

Si osservi che la R_P risulta sempre inferiore al valore delle singole resistenze. La corrente totale entrante in un parallelo di resistenze si ripartisce tra le stesse in modo inversamente proporzionale al loro valore. Da questo punto di vista si dice che le resistenze in parallelo formano un partitore o derivatore di corrente.

Il generatore di tensione

Si definisce generatore ideale di tensione un generatore elettrico capace di presentare ai suoi terminali una tensione la cui ampiezza istantanea non dipende dal carico dell’utilizzatore.

Il principio di Thevenin

Il principio di Thevenin afferma che una rete elettrica, comunque complessa purché lineare, vista da due terminali, è equivalente a un generatore reale di tensione. La forza elettromotrice del generatore equivalente corrisponde alla tensione a vuoto ai due terminali e la resistenza interna è quella vista dai terminali stessi, dopo avere sostituito i generatori presenti con le corrispondenti resistenze interne.

Il generatore di corrente

Si definisce generatore ideale di corrente quel generatore elettrico capace di erogare una corrente la cui ampiezza istantanea non dipende dal carico dell’utilizzatore.

Il principio di Norton

Una rete elettrica, comunque complessa, purché lineare, vista da due terminali, è equivalente a un generatore reale di corrente; la corrente a del generatore equivalente corrisponde alla corrente di cortocircuito della rete e la resistenza interna è quella vista dai terminali della stessa, dopo aver sostituito i generatori presenti con le rispettive resistenze interne.

Un generatore elettrico reale è rappresentabile, indifferentemente, come generatore di tensione o come generatore di corrente. La rappresentazione del generatore elettrico nella forma di generatore di tensione è detta rappresentazione equivalente secondo Thevenin; quella con il generatore di corrente, rappresentazione equivalente secondo Norton.

Il considerare il generatore reale nella forma di Thevenin o di Norton è legato a scelte di comodo. Normalmente, ed è il caso più frequente, se la tensione varia poco al variare della corrente, si usa il generatore di tensione. Se invece è la corrente a rimanere poco dipendente dalla tensione, si sceglie il generatore di corrente. Come Thevenin anche Norton può essere utilizzato come metodo di risoluzione delle reti elettriche.

Il condensatore

Il condensatore è un componente bipolare e passivo; la grandezza elettrica che lo contraddistingue è la capacità C, che si misura in farad. La caratteristica esprime graficamente la relazione: .

Questa relazione evidenzia che un condensatore è attraversato da corrente solo se la tensione ai suoi capi varia nel tempo. Il rapporto ∆V/∆T, che esprime il valore istantaneo della corrente, deve essere ottenuto considerando intervalli i più piccoli possibili.

La capacità equivalente di n condensatori in parallelo è pari alla somma delle singole capacità: .

La capacità equivalente di più condensatori in serie si ricava con la relazione:

.

Si può anche dire che le capacità in parallelo aumentano e in serie diminuiscono.

Fenomeni transitori nei circuiti RC

Il prof. Guido Morri